Залізо-вуглецеві сплави

Сталь - багатокомпонентний сплав, хоча визначення сталі – сплав заліза і вуглецю, при вмісті вуглецю до 2,14 %. Основа Fe-C сплавів це Fe і C.Постійними домішками сталей є : Mn , Si , S , P , O , H , N , Cr , Ni та інші. Mn і Si переходять в сталь під час її розкислення. S і P попадають із руди , Cr і Ni – із шихти та легованого металолому. O, H , N – присутні у вигляді неметалевих включень.

Властивості сталей формує вуглець, а постійні домішки , в залежності від їх кількості, впливають на ці властивості.

Вплив вуглецю. Сталь після повільного охолодження , тобто у відпаленому стані, складається із двох фаз – Ф і Ц. Кількість Ц збільшується прямо пропорційно вмісту вуглецю. Твердий і крихкий Ц підвищує тимчасовий опір, твердість, межу плинності, але знижує характеристики пластичності (ψ, δ, KCV, K_1С). Підвищення вмісту вуглецю полегшує перехід сталі в крихкий стан, кожна 0,1% С підвищує поріг холодноламкості на 20 °С і розширює перехідний інтервал від в'язкого до крихкого стану, при цьому знижується густина сталі, зростає електроопір і коерцитивна сила , знижується теплопровідність, залишкова індукція та магнітна проникність.

Вплив кремнію. Гарно розкислена сталь містить не більше 0,37% кремнію, він дегазує метал і підвищує густину зливка. Після розкислення Si залишається у твердому розчині ( у Ф), сильно підвищує межу плинності, знижує здатність сталі до витяжки та холодної висадки. Тому у сталях, які піддають холодній пластичній деформації – штамповці, висадці, вміст кремнію повинен бути мінімальним.

Вплив марганцю. Максимальний вміст марганцю 0,8%, він знижує вміст сірки, суттєво підвищує міцність, практично не знижує пластичність та різко знижує червоноламкість за рахунок зв'язування сірки, яка присутня у вигляді FeS у власний сульфід. Марганець розчиняється у фериті і цементиті.

Вплив сірки. Сірка – це негативна домішка, верхня границя вмісту сірки 0,05%. Сірка з залізом утворює сполуку FeS, яка практично не розчиняється у твердому залізі, а з рідким залізом утворює легкоплавку евтектику з t_пл=988°С. При кристалізації евтектика розташовується по межах зерен і при наступному нагріванні сталі до 1000 – 1200 °С під час кування чи прокатки вона розплавляється. При деформації сталі в місцях розташування евтектики виникають тріщини і надриви. Це явище називається червоноламкістю.

Сполуки сірки знижують ударну в'язкість і характеристики пластичності у поперечному напрямку витяжки, знижується і межа витривалості. При збільшенні вмісту сірки знижується робота розвитку тріщини і в'язкість руйнування, сірка погіршує зварюваність і корозійну стійкість сталей. Вміст сірки в сталі суворо обмежується і залежить від якості сталі.

Автоматні сталі S=0,08 – 0,3 % P ≤ 0,05 %

Сталі звичайної якості S ≤ 0,05 % P ≤ 0,04 %

Якісні S ≤ 0,04 % P ≤ 0,035 – 0,04 %

Високоякісні S ≤ 0,025 % P ≤ 0,025 %

Вплив фосфору. Фосфор розчиняється у фериті, дуже сильно деформує кристалічну гратку і підвищує межу міцності і плинності, але знижує пластичність і в'язкість, і причому сильніше при збільшенні кількості вуглецю. Фосфор підвищує поріг холодноламкості сталі і знижує роботу розвитку тріщини. Сталь, яка містить фосфор в кількості 0,05 % має роботу розвитку тріщини у 2 рази меншу, ніж сталь з вмістом 0,005 % P. Кожна 0,01 % P підвищує поріг холодноламкості на 20 – 25 °С. Здатність фосфору до сегрегації по границях зерен сприяє окрихчуванню при низьких температурах, це явище називається холодноламкістю. Фосфор має велику схильність до ліквації, тому внутрішня частина зливку сильно збагачена фосфором і характеризується низькою в'язкістю.

Вплив газів. Водень, азот, кисень в сталях містяться в невеликих кількостях, і кількість їх залежить від способу виробництва сталі. Гази присутні у різних несуцільностях, у твердому розчині, у формі різних сполук – неметалевих включень – нітриди, оксиди. Неметалеві включення знижують межу витривалості та в'язкість руйнування.

Дуже негативною домішкою є водень, оскільки він сильно окричує сталь. Водень у катаних заготовках утворює флокени – тонкі тріщини овальної чи округлої форми, які у зломі мають вигляд п'ятна чи пластівців сріблястого кольору. Флокени різко погіршують властивості сталі. Водень при заварюванні сприяє утворенню холодних тріщин.

Домішки кольорових металів присутні в сталях в кількості сотих долей % , і попадають в сталь з металевого лому, це Cu, Ni, Cr, Zn, Sn, Sb та ін. Ці домішки практично не впливають на механічні властивості сталей, хоча по деяким даним домішки кольорових металів підвищують поріг холодноламкості.